大直径截污管道水平定向穿越施工技术的应用

郭 冠 花

(山西六建集团有限公司，山西 太原 030024)

0 引言

PE管具有耐老化、耐腐蚀、耐磨、热熔连接接头强度高于管体强度等特点，广泛应用于城市给排水工程。水平定向钻管道穿越技术不受管道埋深、地面限制、地下水等影响，施工速度快、成本低，可解决开挖埋管无法解决的难题，在管道穿越公路、铁路等无法开挖和禁止开挖区域时，更能体现出充分的优越性和科学性。

1 工程概况

晋城市城区回军河黑臭水体整治截污工程位于回军河河道岸线两侧，治理河道段总长4 500 m。截污管道截流随意排放进入雨水管涵的污水，沿河岸设置DN600，DN800，DN1 000，DN1 200截污干管，局部设置DN300，DN400，DN500截污支管，沿河设置截污井、跌水井、检查井35座。该城市为丘陵地貌，截污管埋深范围土质为粉质黏土，部分截污管穿过已建城市道路、农贸市场。埋深浅的截污管采用挖埋法施工，埋深较深和需穿过已建城市道路、农贸市场的截污管采用水平定向钻拖管法施工。

2 工艺原理

根据建设单位提供的施工图和地勘文件以及现场工程勘察成果进行管道穿越设计，水平定向钻钻进、扩孔的同时进行管道连接，最后一次扩孔时同步管道回拖，最后进行管道附属工程施工。

3 工艺流程

工艺流程见图1。

3.1 现场勘察

现场勘察是管道穿越设计的前提，也是保障施工安全和环境保护的需要，并关系到施工方法和设备的选择。按管道走向进行地质、水文、地形、地貌等勘察，如管道穿越地面建(构)筑物、道路、地下管线时，还需向产权所属单位全面了解情况，并做好详细记录。

3.2 管道穿越设计

根据建设单位提供的施工图、地勘文件以及现场踏勘和工程勘察成果进行管道穿越设计。管道穿越设计主要包括：1)工程概况；2)现场踏勘和工程勘察情况；3)穿越轨迹设计；4)施工方法和技术工艺、施工注意事项；5)检验与验收项目和内容；6)应急预案；7)设计图和计算书,见图2，表1。

表1 水平定向钻先导孔轨迹参数表

管材类型入土角出土角曲率半径/mmD<400400≤D<800D≥800塑料管8～304～20不应小于1 200倍钻杆外径不应小于250D不应小于300D钢管8～184～12宜大于1 500D,且不应小于1 200D

3.3 测量放线

按设计图放出拟敷设管道的入土点、出土点、中心线，确定入土侧、出土侧、施工便道以及管道连接场地的边界，放出管道交叉位置和跌水井、检查井的位置及开挖边线。沿拟敷设管道中心线在地面上每隔2 m埋设控制桩测出高程，计算出穿越轨迹各点对应高程并标注在图纸上。

3.4 工作坑开挖

依次开挖入土端工作坑、出土端工作坑、管道回拖斜道。入土端开挖2.0 m×1.5 m×1.0 m楔形工作坑，坑底斜面角度20°～30°为宜。出土端工作坑即为检查井、跌水井，底面尺寸为3.0 m×4.0 m，四周放坡根据深度和土质等因素综合考虑。管道回拖斜道底面宽度为管道直径D+2×0.5 m，斜道斜面角度10°～20°为宜。

3.5 机械设备安装就位

结合施工现场、管道规格、地层特点、埋深和长度等因素合理选择钻机，工程设备进场前现场达到三通一平条件。按施工平面布置图确定各设备工位，做好围挡、安全标示和交通疏导工作。钻机安装在设计轨迹延伸线的起始位置，钻机动力头的中心线与设计轨迹延伸线重合，钻机锚固满足在钻机最大推拉力作用下不发生失效。安装就位后钻机仪表、线路、配件等进行全面检查，对导向仪进行校核。

3.6 导线钻进

施工前钻机进行试运转，时间不少于15 min，确定机具设备部分运转正常且钻头喷嘴有泥浆流动后方可钻进。第一根钻杆入土钻进时应轻压慢转、稳定入土位置，符合设计入土角后方可继续钻进。先导孔钻进时，导向员手持信号接收器到钻头上方接收信号引导施工。先导孔钻进的关键是钻孔轨迹的检测和控制，入土端斜段、地下管线交叉处、出土点附近或调整钻机轨迹时对导向的精确度要求高，测量计算频率0.5 m/次。直线段测量计算频率每根钻杆一次(3.0 m/次)，直线段发现偏离应退杆重钻。

3.7 泥浆循环

水平定向钻施工工程中保持泥浆循环，稳定的泥浆循环是有效排除钻屑、稳定钻孔压力、维持孔壁稳定的基础。泥浆的配方和性能参数根据地质条件、钻进工艺、孔内情况等因素进行实时监测和调整，从钻孔返出的泥浆经沉淀池或泥浆净化设备处理并调整后重复利用。泥浆用量应综合考虑最终扩孔直径、钻孔长度、扩孔次数、孔内漏失状况等。

3.8 扩孔

扩孔的分级次数主要取决于地层性质、终孔直径、钻孔长度、钻机能力、泥浆泵能力及扩孔器类型。扩孔器的选择主要取决于穿越地层的物理力学性质，常用的有适合一般土层的扩孔器和针对岩石地层的岩石扩孔器两类。扩孔钻进前先确认扩孔器喷嘴是否顺畅，扩孔过程中如发现扭矩、拉力异常应降低进尺速度。一级扩孔完成后，宜进行洗孔后再进行下一级扩孔，最终扩孔完成后根据孔内清洁程度确定是否进行清孔，见表2。

表2 穿越管道所需的钻孔最终扩孔直径表 mm

3.9 管道连接

PE管进场后对质量证明文件和外观进行检查，并由具备相应资质的检测单位进行检测复验。PE管采用热熔连接，施工前进行热熔对接焊接工艺评定检验与试验。PE管沿拟敷设管线的地面一侧逐根摆放，管材的切割采用专用割刀或切管工具，切割端面应平整、光滑、无毛刺，端面应垂直于管轴线。相邻两节管材置于夹具架上固定牢固，管材连接端伸出夹具，移动夹具使连接端面接触，使其在同一轴线上。管材连接端面采用热熔加热板加热，加热板表面温度控制在200 ℃～235 ℃之间，连接端面吸热时间达到工艺要求后，迅速撤出加热板，在规定的时间内用均匀外力使连接面完全接触，并形成均匀一致的对称翻边。管材焊缝的冷却必须在保持压力下进行，直到冷却到环境温度。管道连接完成后使用专用工具切除外部的焊接翻边，见表3。

表3 PE管热熔对焊焊接工艺参数表

3.10管道回拖

管道回拖前对钻机地锚进行检查，对钻机、泥浆泵等设备进行检修保养，对已连接完成的管线长度、焊缝等进行检查，吊管设备进行就位。钻杆后面依次连接扩孔器、分动器、管线拉头、待敷设管线，组合连接后进行扩孔器泥浆试喷。管道回拖过程应连续施工，特殊情况下中断时间不得超过4 h，回拖速度应均匀并保持泥浆循环。为降低回拖时地面与管道的摩阻力，保护管道外表不被划伤，采用托管架减阻措施。

3.11注浆

为防止扩孔直径与管道外径之差造成道路、地面沉降，采用孔内注浆的方式进行加固。管道回拖的同时将注浆管一并拖入，注浆管采用D25钢管，尾端为6 m长注浆花管。管道回拖完成拆除扩孔器、分动器、管道拉头，封堵注浆管尾端管道与扩孔孔壁间空隙。注浆管与注浆泵连接，用不低于0.4 MPa的压力注入水泥和粉煤灰比为1∶1的浆液，每次注浆长度6 m且注浆量要大于泥浆量。利用定向钻回拖注浆管，每回拖6 m拆管再注浆，如此反复进行直到注浆管完全被拖出钻孔，再次封堵管道与扩孔孔壁间空隙。导向钻斜孔也采用注浆充填密实。注浆过程中置换出的泥浆及时排出并沉淀处理，注浆结束后对工作坑地基进行处理，随后进行检查井、跌水井施工。

4 主要机械设备及仪器

表4 主要配套机械设备和仪器表

根据工程设计图纸和地质条件，进行管道穿越设计，合理确定水平定向钻机型号和主要设备参数，根据施工进度安排配备合适的机械设备和仪器，见表4。

5 质量控制

5.1 质量检验标准

1)定向钻进施工管道允许偏差符合GB 50268—2008给水排水管道工程施工及验收规范，见表5。

表5 定向钻进施工管道的允许偏差表

2)管道安装完成后，管道功能性试验(压力管道水压试验和非压力管道闭水试验)，按GB 50268—2008给水排水管道工程施工及验收规范执行。

3)导向孔钻进、扩孔、管道回拖及泥浆液等符合设计和施工方案要求。

5.2 质量保证措施

1)根据建设单位提供的施工图、地勘文件以及现场踏勘和工程勘察成果进行管道穿越设计。

2)结合施工现场、管道规格、地层特点、埋深和长度等因素合理选择钻机和配套机具设备。

3)导向钻进施工前对现场管理人员、操作人员进行技术交底，钻进过程施钻人员严格按照引导员的指令进行操作，发现偏离及时退杆重钻。

4)施工工程中保持稳定的泥浆循环，泥浆的配方和性能参数根据地质条件、钻进工艺、孔内情况等因素进行实时监测和调整，从钻孔返出的泥浆经沉淀池或泥浆净化设备处理并调整后重复利用。

5)管材选择和连接应符合设计及相关规范要求，管道连接前进行热熔对接焊接工艺评定检验与试验，连接完成后对接头翻边和焊缝检验。

6)管道回拖前对已连接完成的管道长度、管道外观和焊缝进行检查，回拖过程采用托管架减阻。

6 安全措施

1)严格贯彻国家的安全生产法律、法规，坚持“安全第一、预防为主、综合治理”的方针。

2)施工中应遵照国家、省、市颁发的有关安全操作规程以及企业管理标准，建立完善的安全保证体系，明确安全责任制，具体落实到个人。

3)未经安全教育的人员不得上岗作业，安全管理人员及特种作业人员，必须经安全培训合格后持证上岗。项目部技术负责人应对上岗人员进行书面安全技术交底，确保安全措施落实到实处。

4)在施工前应查明施工沿线地下障碍及管线情况，对穿越地段的管线及上面构筑物做好监测和安全保护措施。

5)穿越城市道路、公路、铁路、河流时，应制定有效防护措施，并派专人负责看护和指挥交通。

6)施工场地设置封闭围挡，避免非施工人员进入现场。

7)施工人员应着装安全标志服，佩戴安全帽、手套、工作鞋及防护口罩等。

8)现场施工各岗位人员必须保持良好的工作关系，用对讲机或其他通信方式联系时，信号不清晰时不得随意判定信号内容。

9)按施工平面布置图确定各设备工位，做好围挡、安全标示和交通疏导工作。

7 环保措施

1)工程施工过程中严格遵守国家和地方政府有关环境保持法律、法规和企业的规章制度，并制定相关施工管理制度。

2)将施工场地和作业限制在工程建设允许范围内，合理布置。

3)注重污染防治，文明清洁施工，创安全文明工地。现场做到文明施工，做好现场堆集材料、周转材料的遮盖、分类规整工作。对施工中燃油、工程材料、设备废水，生产生活垃圾、弃渣等应加强控制和治理，遵守废弃物处理的规章制度，定期清理废弃物。

4)对施工中可能会影响到的各种公共设施或构筑物应制定可靠的防止损坏和移位措施，加强监测，防止发生事故。

5)钻机使用过程中泥浆要用吸污车集中清运，防止污染周边环境。

6)优先选用先进环保的设备，合理安排施工时间减少对居民的干扰，采取措施降低施工噪声到允许值以下，尽可能避免夜间施工。

8 结语

水平定向钻管道穿越技术是近年来迅速发展的一门新技术，该技术不受管道埋深、地面限制、地下水等影响，在管道穿越公路、铁路等无法开挖和禁止开挖区域时，更能体现出充分的优越性和科学性。PE管耐老化、耐腐蚀、内表光滑排污能力强、热熔连接接头强度高质量好，大直径PE截污管道水平定向穿越技术在城市排污工程应用前景广泛。